壓電機敏模塊性能分析.pdf

1、大型建筑設(shè)施如大廈、橋梁、水壩和核電站等的安全與人們的生活息息相關(guān)，因此對其進(jìn)行實時、在線、長期主動的健康監(jiān)測顯得日益重要。針對傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測方法存在的一些缺陷或不足，在前期的研究工作中提出了壓電機敏土木工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上本文通過有限元分析和實驗相結(jié)合的方式對壓電機敏混凝土模塊的應(yīng)力及溫度響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。 論文首先對組成壓電機敏模塊的基體材料——混凝土復(fù)合材料的各種性能進(jìn)行了分析，歸納了混凝土的各種特性，為壓電元

2、件與混凝土結(jié)構(gòu)的有效耦合，及由此構(gòu)成的壓電機敏模塊的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的分析和解釋提供了必要的理論支持。其次對壓電機敏模塊的核心元件——壓電陶瓷的壓電效應(yīng)和其內(nèi)部機理進(jìn)行了分析，討論了壓電陶瓷在不考慮損耗和考慮損耗兩種情況下對其外部物理環(huán)境變化的內(nèi)部響應(yīng)機理；通過分析壓電陶瓷在這兩種狀態(tài)下的壓電等效電路參數(shù)與電彈常數(shù)之間的關(guān)系，研究了利用埋入壓電陶瓷元件來進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測的機敏技術(shù)原理。 針對混凝土材料及混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建立了機敏

3、混凝土模塊的有限元分析模型，利用有限元分析方法對將壓電陶瓷元件埋入混凝土模塊中時可能出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行了仿真分析，如機敏模塊外部載荷加載的不同方式、壓電陶瓷元件的不同埋入位置、混凝土模塊內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力分布、及埋入其中的壓電陶瓷元件上的應(yīng)力值的影響因素等。分析結(jié)果展示，埋入混凝土模塊中的壓電陶瓷元件上的應(yīng)力值與模塊內(nèi)部的應(yīng)力分布之間具有一定的線性關(guān)系，說明了利用埋入壓電陶瓷元件來進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測的可行性。通過有限元分析與實驗相結(jié)合的方式，

4、研究了埋入混凝土模塊中的壓電陶瓷元件表面覆蓋不同厚度的橡膠層對機敏模塊性能的影響，并確定了最佳橡膠保護(hù)層的厚度。 在壓電機敏模塊的載荷響應(yīng)特性實驗中，測量了壓電陶瓷的各等效電路參數(shù)的載荷響應(yīng)特性，并根據(jù)各等效電路參數(shù)與耗散因子之間的關(guān)系，計算了壓電陶瓷耗散因子的載荷響應(yīng)特性。對壓電陶瓷片在自由狀態(tài)時和將其埋入混凝土模塊內(nèi)部后的溫度特性的實驗中，分別測量了各等效電路參數(shù)對溫度的響應(yīng)特性，實驗結(jié)果表明埋入前與埋入后各等效電路參數(shù)對溫